EP4193130A1 - Feldgerät der automatisierungstechnik - Google Patents

Feldgerät der automatisierungstechnik

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Publication number
EP4193130A1
EP4193130A1 EP21745795.1A EP21745795A EP4193130A1 EP 4193130 A1 EP4193130 A1 EP 4193130A1 EP 21745795 A EP21745795 A EP 21745795A EP 4193130 A1 EP4193130 A1 EP 4193130A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
field device
component
housing
additive
container
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21745795.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Sulzer
Florent Tschambser
Lars Dreher
Werner Wohlgemuth
Timothy-James HUG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP4193130A1 publication Critical patent/EP4193130A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/14—Casings, e.g. of special material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00—Use of organic ingredients
    • C08K5/0091—Complexes with metal-heteroatom-bonds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/588—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters combined constructions of electrodes, coils or magnetic circuits, accessories therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2237—Oxides; Hydroxides of metals of titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2244—Oxides; Hydroxides of metals of zirconium
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters

Definitions

  • the invention relates to a field device used in automation technology, a method for producing a housing for the field device used in automation technology, and the use of an additive to improve adhesion.
  • field devices are often used, which are used to record and/or influence process variables.
  • Process variables are recorded by sensors that are integrated, for example, in level meters, flow meters, pressure and temperature meters, pH redox potential meters, conductivity meters, etc., which record the corresponding process variables level, flow rate, pressure, temperature, pH value or conductivity.
  • Actuators such as valves or pumps, which can be used to change the flow of a liquid in a pipeline section or the fill level in a container, are used to influence process variables.
  • field devices are also understood to mean remote I/Os, radio adapters or, in general, electronic measurement components that are arranged at the field level.
  • a field device is in particular selected from a group consisting of flow meters, level meters, pressure meters, temperature meters, limit level meters and/or analysis meters.
  • Flow measuring devices are in particular Coriolis, ultrasonic, vortex, thermal and/or magnetically inductive flow measuring devices.
  • Level measuring devices are, in particular, microwave level measuring devices, ultrasonic level measuring devices, time-domain reflectometric level measuring devices, radiometric level measuring devices, capacitive level measuring devices, inductive level measuring devices and/or temperature-sensitive level measuring devices.
  • Pressure measuring devices are in particular absolute, relative or differential pressure devices.
  • Temperature measuring devices are, in particular, measuring devices with thermocouples and/or temperature-dependent resistors.
  • Point level measuring devices are in particular vibronic point level measuring devices, ultrasonic point level measuring devices and/or capacitive point level measuring devices.
  • Analysis measuring devices are in particular pH sensors, conductivity sensors, oxygen and active oxygen sensors, (spectro)photometric sensors and/or ion-selective electrodes.
  • Field devices in automation technology are known, most of which have a housing to stabilize and protect the electronic components and/or the measuring components from the environment.
  • Field devices can be subject to particularly high temperature fluctuations due to the wide range of applications. This leads to material expansion and contraction within the housing, which can lead to incorrect measurements or the failure of electronic components.
  • a field device is known from DE 10 2012 110 665 A1, which has a plastic housing formed by two plastic molded parts welded to one another. Such a construction still allows access to individual measuring components of the flow meter. However, it is disadvantageous with regard to fixing the position of the individual connecting cables.
  • DE 10 2014 105 569 B3 discloses a field device with a housing which is at least partially made of a thermoplastic material and thus envelops the partial measuring tube section and at least one further measuring component attached thereto with a precise fit.
  • this solution is inexpensive, since the entire housing comprises only a single heat-shrinkable tube, which ensures fixation and stabilization, it is disadvantageous that the housing cannot be reused after it has been shrunk on.
  • DE 10 347 878 A1 discloses a field device which has a housing body which is formed from a casting material and consists of an epoxy resin or polyurethane. To apply the casting material, the measuring tube is covered with a casting mold, for example made of sheet metal, which is then filled with the casting material. After the encapsulation material has hardened, the encapsulation mold is removed, and in particular it can also be reused.
  • a disadvantage of this invention is that there is insufficient adhesion between the housing body and the measuring tube to meet the requirements of the IP68 protection class.
  • the object of the invention is to provide a field device for automation technology with improved adhesion between the container and the housing body.
  • the invention is based on the object of providing a method for producing the field device for automation technology, with which improved adhesion between the container and the housing body is achieved.
  • the objects are achieved by the field device according to claim 1, the method for production according to claim 9 and the use of a titanate and/or zirconate according to claim 15.
  • a container for receiving and/or guiding a medium the container having an outer surface
  • the housing for protecting the measuring device and the electronic components, the housing having a housing body, the measuring device and the electronic components being arranged in the housing, the housing body being arranged on the outer surface of the container, the housing body at least partially having a composite material , wherein the measuring device and the electronic components are at least partially surrounded by the composite material, the composite material having a polymer matrix, the composite material having an additive, the additive comprising at least one chemical compound having an oxidized transition metal, preferably of the 4th subgroup.
  • the technical advantage of this embodiment of the invention is that the measuring component is very well and permanently fixed in place and at the same time is protected from external influences such as moisture, dirt, vibrations, etc., with all possible existing cavities between the measuring tube and the casting mold being filled .
  • the production can be carried out very cost-effectively.
  • the additive in the polymer matrix creates a chemical bond between the housing body and the surface of the container.
  • the additive has catalytic properties, so that a curing temperature of the polymer matrix can be chosen lower. This leads to a lower load on the container, the measuring device and the electronic components.
  • the measuring device consists of the components required to determine the process variables.
  • a field device includes at least one measuring device.
  • the measuring device of a magneto-inductive flowmeter comprises a device for generating a magnetic field and a device for measuring an induced measuring voltage, i.e. measuring electrodes with the associated connections and cables.
  • a medium monitoring electrode is also used to monitor another process variable, the level.
  • Magneto-inductive flowmeters are known that have additional measuring devices such as temperature sensors or pressure transducers.
  • the measuring device of an ultrasonic flow meter comprises at least one ultrasonic transmitter and one ultrasonic receiver.
  • a magneto-inductive flowmeter in addition to embedding the device for generating the magnetic field, it is also possible to fix the corresponding electrical supply lines and the electronic components, such as operating, measuring and/or evaluation circuits, using the potting material.
  • the supply lines are then kept vibration-free without much effort, which increases the measurement accuracy and interference immunity.
  • One embodiment provides that the outer surface of the container comprises a polyolefin.
  • Polyolefins are polymers made from saturated hydrocarbons, especially alkenes such as ethylene, propylene, 1-butene or isobutene, by chain polymerisation.
  • the best-known representatives of this group of plastics are polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polymethylpentene (PMP).
  • Industrially produced and used polyolefins are polyisobutylene (PIB) and polybutylene (PB, polybutene-1).
  • High-density polyethylene abbreviated as HDPE or PE-HD
  • Polypropylene (PP), especially isotactic polypropylene, and polyethylene (PE) are used in medical and food packaging, fibers and pipes.
  • the container is a polyethylene tube (PE tube).
  • PE tube polyethylene tube
  • Polyethylene pipes are pipes made of polyethylene (PE) that are mainly used in piping systems for gas, water supply and sewage disposal be used. In addition, they are used in various industrial sectors. The most important properties are corrosion resistance, resistance to various chemicals, crack resistance, drinking water approval, light weight and simple connection techniques. Pipelines made of cross-linked polyethylene (PEX) or polyethylene with increased temperature resistance (PE-RT) are used, which are designed for continuous operation with water at a pressure of 10 bar and a fluid temperature of +70 °C. Multi-layer composite pipes made of PEX and aluminum are also in use and, like PEX or PE-RT pipes, fall under the scope of protection.
  • PEX cross-linked polyethylene
  • PE-RT polyethylene with increased temperature resistance
  • Multi-layer composite pipes made of PEX and aluminum are also in use and, like PEX or PE-RT pipes, fall under the scope of protection.
  • the polymer matrix has at least a first component and a second component, the first component having an isocyanate, the second component having a polyol.
  • the combination of the additive with a polyurethane leads to a favorable composite material which is ideal as a housing body or as a filler to stabilize the measuring device and is also suitable for automated filling processes.
  • the combination of polyurethane and additive results in a cold-casting system that hardens without, or at least only with little, thermal treatment.
  • transition metal is selected from the group that includes titanium or zirconium.
  • the chemical compound has a titanate and/or a zirconate.
  • titanates The salts or esters of titanic acids (H x Ti y O z , practically the various hydrates of titanium dioxide) are referred to as titanates. These are preferably present in particular in an organic complex.
  • a zirconate is a zirconium comprising an oxyanion. According to the invention, this is also preferably present in a particularly organic complex.
  • the chemical compound has an isopropyl and/or a tri(dioctyl) phosphate chain.
  • isopropyl triisostearoyl titanate isopropyl tri(dioctyl) phosphate titanate, isopropyl tri(N-ethylenediamino)ethyl titanate and/or neopentyl(diallyl)oxytri(dioctyl) has proven particularly advantageous phosphate zirconate, whose structural formulas can be represented as follows:
  • Isopropyl tri(dioctyl)phosphate titanate isopropyl tri(N-ethylenediamino)ethyl titanate
  • the field device is a flow meter, in particular a magneto-inductive flow meter.
  • the method according to the invention for producing a housing for a field device comprises the method steps: - Incorporation of an additive into a first component or a second component, preferably into the second component of a potting material, the first component having an isocyanate, the second component having a polyol, the additive having at least one oxidized transition metal, preferably the 4th chemical compound comprising subgroup;
  • an additive with a chemical compound comprising an oxidized transition metal leads to chemical bonds between the polymer matrix and the outer surface of the container and thus to better adhesion. Furthermore, the additive promotes the reaction between the first component and the second component, so that heating of the composite material when forming the housing body can be partially or even completely dispensed with.
  • the composite material thus forms a so-called cold-casting system.
  • the curing temperature is less than 50°C, in particular less than 40°C and preferably less than 30°C.
  • the housing body can be processed at lower temperatures.
  • the further processing of the automation technology field device can be started earlier, since the final curing is also subsequently achieved at room temperature.
  • the additive is present in the second component in a weight ratio of at least 0.3%, in particular at most 1% and preferably 0.4 to 0.5%.
  • One embodiment provides that the outer surface of the container is oxidized at a position provided for the housing.
  • the PE pipes Before further processing - e.g. welding with a second PE pipe - the PE pipes are usually treated with appropriate pretreatment methods such as cleaning, (sand) blasting, flame treatment and/or plasma coating with subsequent primers to ensure mechanical adhesion.
  • a so-called "oxide layer" of the PE pipe must be peeled off, as otherwise adequate adhesion cannot be guaranteed.
  • This is extremely disadvantageous or even a hindrance for mass production of field devices or for curved outer surfaces of the container.
  • the use of the above additive eliminates the need to remove the oxide layer. If the oxide layer is not removed, the outer surface therefore remains oxidized at a position intended for the housing.
  • transition metal is selected from the group that includes titanium or zirconium.
  • Titanium or zirconium in the additive have particularly good catalytic properties and promote or initiate a chemical reaction between the outer surface of the container and the polymer matrix. It could be shown that the chemical reaction takes place even with oxidized PE pipes.
  • the chemical compound has a titanate and/or a zirconate and/or the chemical compound has an isopropyl and/or a tri(dioctyl) phosphate chain.
  • an additive containing a titanate and/or zirconate is used to improve the adhesion of a housing body formed from a polyurethane to a container.
  • the housing body has a Shore hardness of at least 60D, in particular at least 70D and preferably at least 85D (according to ISO 868 (as of 2003)).
  • the Shore hardness describes the mechanical resistance that the potting material opposes to mechanical penetration by another body and depends only to a limited extent on the strength of the body.
  • the Shore hardness is a material parameter for Elastomers and plastics and is specified in the standards DIN EN ISO 868, DIN ISO 7619-1 and ASTM D2240-00 (as of 2018).
  • the housing (7) meets the requirements of the IP68 protection class (as of 2020).
  • the first digit means that the housing is dust-tight and is therefore protected against the ingress of foreign bodies.
  • the second digit means that the inside of the housing is protected against the ingress of water despite permanent submersion.
  • the IP protection class indicates the resistance of the housing of a field device against the ingress of foreign bodies and water.
  • the two numbers of the protection class have the following meaning. The first number indicates how resistant the housing is to the ingress of foreign objects. The second number indicates the tightness against water.
  • a housing that meets the requirements of the IP68 protection class (as of 2020) is therefore dust-tight and protected against permanent immersion in water.
  • the heat of reaction released by the reaction of the first with the second component leads to a temperature increase of the composite material at an interface to the measuring component or to the container of less than 100°C, in particular less than 70°C and preferably less than 30°C.
  • the heat of reaction that is released does not damage the electronic components and/or the measuring components. This is particularly important if plastic parts, for example in the form of insulation, are installed in the electronic components or in the measuring components, or if heat-sensitive electronic components are installed. Matching the two components and the heat released during the chemical reaction is therefore essential.
  • the environmental conditions can be controlled in such a way that the heat of reaction released is continuously dissipated and the composite material does not exceed a temperature increase or temperature change of 100°, 70° or 30°C. This is done, for example, by allowing the reaction to take place in a cooled down environment or by dissipating the heat released with a flowing medium such as nitrogen.
  • the heat of reaction can already be influenced by matching the first and second components.
  • a first component with an isocyanate and a second component with a polyol are selected. In that case the heat of reaction released is so low that the temperature rise remains below the critical temperature change mentioned above.
  • the polyurethanes used to manufacture the housing are mostly elastomeric plastics, which are produced on the basis of a liquid multi-component system formed from reactive components immediately before processing Reaction time is allowed to harden.
  • polyurethanes are produced by the polyaddition process from di- and poly-isocyanates with polyhydric alcohols.
  • prepolymers made up of aliphatic and/or aromatic ether groups and glycol and isocyanate groups, which can react with the polyhydric alcohol supplied can be used as components.
  • transmitters or electronic displays are connected to the housing via an adapter. Therefore, respective adapters must be manufactured and provided for measuring tubes with different tube diameters.
  • the encapsulation mold is shaped in such a way that the adapter, in particular the connections, are also encapsulated to fit.
  • the encapsulation mold also takes on the shape of the adapter in places, which means that an adapter is also formed after the encapsulation. Its shape depends on the shape of the casting mold and can therefore be adapted to the respective measuring tubes.
  • conventional housing shells for example those known from DE 10 2012 110 665 A1
  • the inside of the casting mold has an anti-adhesive surface, or the casting mold consists of an anti-adhesive material.
  • a coating with a grease or Teflon is particularly advantageous.
  • the casting mold is usually produced using a die-casting process. According to the invention, the casting mold is produced using a 3D printing process.
  • the casing can be made, for example, from sheet metal or plastic, in particular reusable or designed as a “lost mold”.
  • the casting mold has an inlet so that the foaming casting material can be introduced into the casting mold in a simplified manner.
  • Components for forming a composite material from a potting material are typically not in a homogenized state.
  • the respective component must be homogeneous in the Potting material to be distributed. Only then can the formation of cavities and detachment from the outer surface of the container be avoided.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional representation of a magnetic-inductive flowmeter according to the prior art
  • FIG. 2 shows a perspective view of an embodiment of the field device used in automation technology
  • FIG. 3 shows a side view of a further embodiment of the field device used in automation technology.
  • An example of a field device in automation technology is a magneto-inductive flow meter 7 (see FIG. 1).
  • the structure and the measuring principle of the magneto-inductive flow measuring device 7 are known in principle.
  • a flowable medium which has electrical conductivity is passed through a measuring tube 8 .
  • a device 10 for generating a magnetic field is attached to the measuring tube 8 in such a way that the magnetic field lines are oriented perpendicular to a longitudinal direction defined by the axis of the measuring tube.
  • a saddle coil or a pole shoe with an attached coil is preferably suitable as the device 10 for generating the magnetic field.
  • the device 10 for generating the magnetic field can have field guide bodies.
  • a potential distribution occurs in the measuring tube 8 which is tapped off with a device 9 for measuring an induced measuring voltage, in this case with two measuring electrodes attached to the inner wall of the measuring tube 8 .
  • these are arranged diametrically and form an electrode axis that runs perpendicular to an axis of symmetry of the magnetic field lines and the longitudinal axis of the tube. Based on the measured induced measuring voltage, taking into account the magnetic flux density, the flow rate and, taking into account the pipe cross-sectional area, the volume flow of the medium can be determined.
  • the inner surface of the carrier tube is lined with an insulating material or a plastic liner.
  • the magnetic field built up by an electromagnet for example, is generated by means of an operating circuit 11 by means of a clocked direct current of alternating polarity. This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to influences from multiphase substances, inhomogeneities in the liquid or low conductivity.
  • a measurement and / or evaluation circuit 11 reads the measurement electrodes and determines the flow velocity and/or the calculated volume flow of the medium. In the cross section of the magneto-inductive flowmeter shown in FIG. 1, the measuring electrodes are in direct contact with the medium.
  • the coupling can also be capacitive.
  • the measuring device and the electronic components of the magnetic-inductive flowmeter are usually protected from external influences by a housing.
  • a housing body made of a liquid applied and hardened potting material serves to stabilize the measuring arrangement - in the case of device 10 for generating the magnetic field and device 9 for measuring the induced measuring voltage - and the electronic components - the operating, measuring and/or Evaluation circuit 11 - against mechanical and thermal influences.
  • Fig. 2 shows a perspective view of an embodiment of an at least partially interconnected field device for automation technology 14.
  • a conventional housing shell was used as the casting mold 13, which forms a cavity between the housing formwork wall and the outer surface of the container and is installed in field devices to protect the electronic components in which a Subsequent access to the interior of the housing 5 is provided. It can take any form.
  • a 3D printing process is suitable for special shape requests.
  • the casting mold 13 can be removed again so that it can be used to produce further housing bodies 6 .
  • a transmitter embedded in the housing body ⁇ in particular in the polymer matrix, which transmits the measurement signals to a display unit.
  • the polymer matrix has at least a proportion of a composite material which at least partially surrounds the measuring device and the electronic components.
  • the composite material has a polymer matrix and an additive, the additive comprising at least one chemical compound having an oxidized transition metal, preferably one of the 4th subgroup.
  • the additive serves to form improved adhesion between the outer surface of the container and the housing body 6 .
  • the encapsulation mold is removed and the housing body 6 made of the polymer composite assumes the function of the casing. Alternatively, the casting mold 13 is not removed.
  • the polymer matrix is mainly responsible for fixing the electronic components.
  • the outer casing of the housing stabilizes and protects the measuring components.
  • the container is a metal measuring tube with flange connections.
  • FIG 3 shows a side view of a further embodiment of a magneto-inductive flow measuring device 7 with a cast adapter 16.
  • the adapter 16 is cast as a separate component.
  • the adapter 16 does not necessarily have to be in the form of a separate component.
  • the housing body 5 or parts of the housing body can assume the shape of the adapter 16 as a result of the selection of the casting mold.
  • the electrical connections 17 are also fixed in the casting mold during the casting of the casting material and cast in such a way that the contact points of the connections 17 are not cast at the same time.
  • the display unit can then be connected directly to the housing body 6, so an adapter as a separate component is not necessary.
  • the magnetic-inductive flow meter 7 has a container 1 , the container 1 being a measuring tube 8 with a PE tube as the carrier tube 15 .
  • a housing 5 with a housing body 6 is arranged on the outer surface 2 of the measuring tube 8 .
  • the housing body 6 has at least partially a composite material.
  • the measuring device 3 and the electronic components 4 of the magneto-inductive flowmeter 7 are at least partially surrounded by the composite material.
  • the composite material is a polymer matrix in which an additive is embedded. This serves to improve the adhesion between the housing body 6 and the outer surface 2 of the measuring tube 8 in order to meet the requirements of the IP68 protection class.
  • the additive is a chemical compound containing an oxidized transition metal, preferably one from subgroup 4. Particularly good results have been obtained with an additive containing a titanate.
  • the polymer matrix is a polyurethane polymer formed from a two-component system.
  • FIG. 4 shows a flow chart for describing the sequence of a method for producing the field device according to the invention.
  • the procedure comprises the steps A to D:
  • the potting material is a two-component system, but can also contain other additives such as fillers or colorants.
  • the first component includes an isocyanate and the second component includes a polyol.
  • the additive is a chemical compound comprising an oxidized transition metal.
  • the transition metal is titanium and/or zirconium.
  • the transition metal is in the form of a titanate and/or a zirconate.
  • the additive has a chemical compound with an isopropyl and/or a tri(dioctyl) phosphate chain.
  • the casting mold is arranged on an outer surface of a container which is to be provided with a housing.
  • the container is a polyethylene pipe, or PE pipe for short, which is primarily used in pipeline systems for gas, water supply and sewage disposal and can be provided with a drinking water approval.
  • the curing temperature can be selected to be less than 50°C, in particular less than 40°C and preferably less than 30°C. Since the casting material is ready for further processing even at curing temperatures of less than 30°C after just a few hours - although the target Shore hardness has not yet been reached - the casting material can be left to cure even at room temperature.
  • the additive is present in a weight ratio of at least 0.3%, more preferably at most 1% and preferably 0.4 to 0.5% in the second component.
  • An additional process step in which the outer surface of the container is treated can be dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, umfassend: - ein Behältnis (1) zum Aufnehmen und/oder Führen eines Mediums, wobei das Behältnis (1) eine Außenfläche (2) aufweist; - ein Messvorrichtung (3) zum Ermitteln einer Prozessvariablen des Mediums; - elektronische Komponenten (4) zum Betreiben der Messvorrichtung (3); - ein Gehäuse (5) zum Schützen des Messvorrichtung (3) und der elektronischen Komponenten (4), wobei das Gehäuse (5) einen Gehäusekörper (6) aufweist, wobei die Messvorrichtung (3) und die elektronischen Komponenten (4) im Gehäuse (5) angeordnet sind, wobei der Gehäusekörper (6) an der Außenfläche (2) angeordnet ist, wobei der Gehäusekörper (6) zumindest anteilig ein Kompositmaterial aufweist, wobei die Messvorrichtung (3) und die elektronischen Komponenten (4) zumindest teilweise vom Kompositmaterial umgeben sind, wobei das Kompositmaterial eine Polymermatrix aufweist, wobei das Kompositmaterial einen Zusatzstoff aufweist, wobei der Zusatzstoff mindestens eine ein oxidiertes Übergangsmetall, vorzugsweise der 4. Gruppe aufweisende chemische Verbindung umfasst, ein Verfahren zur Herstellung des Feldgerätes und eine Verwendung eines Zusatzstoffes zur Verbesserung der Haftung.

Description

Feldgerät der Automatisierungstechnik
Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses des Feldgerätes der Automatisierungstechnik und eine Verwendung eines Zusatzstoffes zur Verbesserung der Haftung.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozess-Automatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotentialmessgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behältnis geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Messkomponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Ein Feldgerät ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Durchflussmessgeräten, Füllstandsmessgeräten, Druckmessgeräten, Temperaturmessgeräten, Grenzstandsmessgeräten und/oder Analysemessgeräten.
Durchflussmessgeräte sind insbesondere Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermische und/oder magnetisch induktive Durchflussmessgeräte.
Füllstandsmessgeräte sind insbesondere Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall- Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte, radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, induktive Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte.
Druckmessgeräte sind insbesondere Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte.
Temperaturmessgeräte sind insbesondere Messgeräte mit Thermoelementen und/oder temperaturabhängigen Widerständen.
Grenzstandsmessgeräte sind insbesondere vibronische Grenzstandsmessgeräte, Ultraschall-Grenzstandsmessgeräte und/oder kapazitive Grenzstandsmessgeräte. Analysemessgeräte sind insbesondere pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensoren, (spektro)-photometrische Sensoren, und/oder ionenselektive Elektroden.
Es sind vielfältige Varianten von Feldgeräten der Automatisierungstechnik bekannt, von denen die meisten Varianten ein Gehäuse zur Stabilisierung und zum Schutz der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten gegenüber der Umgebung aufweisen. Feldgeräte können aufgrund des breiten Einsatzgebietes besonders hohen Temperaturschwankungen unterliegen. Dies führt zu Materialausdehnungen und - Schrumpfungen innerhalb des Gehäuses, was zu Fehlmessungen oder zum Ausfall von Elektronikbauteilen führen kann.
Aus der DE 10 2012 110 665 A1 ist ein Feldgerät bekannt, das ein durch zwei miteinander verschweißte Kunststoffformteile geformtes Kunststoffgehäuse aufweist. Eine derartige Konstruktion erlaubt zwar weiterhin den Zugriff auf einzelne Messkomponenten des Durchflussmessgerätes. Sie ist jedoch nachteilig in Bezug auf die Lagefixierung der einzelnen Anschlusskabel.
Die DE 10 2014 105 569 B3 offenbart ein Feldgerät mit einem zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material gefertigten und somit den Messrohrteilabschnitt und mindestens eine weitere daran befestigte Messkomponente passgenau umhüllenden Gehäuse. Diese Lösung ist zwar kostengünstig, da das gesamte Gehäuse nur einen einzelnen Schrumpfschlauch umfasst, der für die Fixierung und Stabilisierung sorgt, jedoch ist nachteilig, dass das Gehäuse nach dem Aufschrumpfen nicht wiederverwertbar ist.
Aus der DE 10 347 878 A1 ist ein Feldgerät bekannt, das einen aus einem Vergussmaterial geformten und aus einem Epoxidharz oder Polyurethan bestehenden Gehäusekörper aufweist. Zur Aufbringung des Vergussmaterials wird das Messrohr mit einer Vergussform, beispielsweise aus Blech, umhüllt, welche dann mit dem Vergussmaterial gefüllt wird. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials wird die Vergussform entfernt, wobei diese insbesondere auch wiederverwendbar ist. Dieser Erfindung nachteilig ist, dass keine ausreichende Haftung zwischen Gehäusekörper und Messrohr vorliegt, um den Anforderungen der IP68 Schutzklasse zu genügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Feldgerät der Automatisierungstechnik bereitzustellen, mit verbesserter Haftung zwischen Behältnis und Gehäusekörper.
Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung des Feldgerätes der Automatisierungstechnik bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Haftung zwischen Behältnis und Gehäusekörper erreicht wird. Die Aufgaben werden gelöst durch das Feldgerät nach Anspruch 1 , das Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 9 und die Verwendung eines Titantates und/oder Zirkonates nach Anspruch 15.
Das erfindungsgemäße Feldgerät der Automatisierungstechnik umfasst:
- ein Behältnis zum Aufnehmen und/oder Führen eines Mediums, wobei das Behältnis eine Außenfläche aufweist;
- ein Messvorrichtung zum Ermitteln einer Prozessvariablen des Mediums;
- elektronische Komponenten zum Betreiben der Messvorrichtung;
- ein Gehäuse zum Schützen des Messvorrichtung und der elektronischen Komponenten, wobei das Gehäuse einen Gehäusekörper aufweist, wobei die Messvorrichtung und die elektronischen Komponenten im Gehäuse angeordnet sind, wobei der Gehäusekörper an der Außenfläche des Behältnisses angeordnet ist, wobei der Gehäusekörper zumindest anteilig ein Kompositmaterial aufweist, wobei die Messvorrichtung und die elektronischen Komponenten zumindest teilweise vom Kompositmaterial umgeben sind, wobei das Kompositmaterial eine Polymermatrix aufweist, wobei das Kompositmaterial einen Zusatzstoff aufweist, wobei der Zusatzstoff mindestens eine ein oxidiertes Übergangsmetall, vorzugsweise der 4. Nebengruppe aufweisende chemische Verbindung umfasst.
Der technische Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt darin, dass die Messkomponente sehr gut und dauerhaft ortsfest fixiert ist und gleichzeitig vor äußeren Einwirkungen wie beispielsweise Feuchte, Schmutz, Vibrationen etc. geschützt ist, wobei alle evtl, vorhandenen Hohlräume zwischen dem Messrohr und der Vergussform ausgefüllt werden. Die Fertigung ist dabei sehr kostengünstig durchführbar.
Der Zusatzstoff in der Polymermatrix bewirkt eine chemische Verbindung zwischen dem Gehäusekörper und der Oberfläche des Behältnisses. Zudem weist der Zusatzstoff katalytische Eigenschaften auf, so dass eine Aushärtetemperatur der Polymermatrix geringer gewählt werden kann. Dies führt zu einer geringeren Belastung des Behältnisses, der Messvorrichtung und der elektronischen Komponenten.
Bei der Messvorrichtung handelt es sich um die für die Ermittlung der Prozessgrößen notwendigen Bauteile. Ein Feldgerät umfasst mindestens eine Messvorrichtung. Die Messvorrichtung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes umfasst eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eine Vorrichtung zum Messen einer induzierten Messspannung, d.h. Messelektroden mit den dazugehörigen Anschlüssen und Kabeln. Für die Überwachung einer weiteren Prozessgröße, der Füllstand, wird zusätzlich eine Messstoffüberwachungselektrode verwendet. Es sind magnetischinduktive Durchflussmessgeräte bekannt, die weitere Messvorrichtungen wie Temperaturfühler oder Druckmesswandler aufweisen. Die Messvorrichtung eines Ultraschalldurchflussmessgerätes umfasst mindestens einen Ultraschalltransmitter und einen Ultraschallreceiver.
Bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät ist neben dem Einbetten der Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes auch das Fixieren der entsprechenden elektrischen Zuleitungen und der elektronischen Komponenten, wie Betriebs-, Mess- und/oder Auswerteschaltung durch das Vergussmaterial möglich. Die Zuleitungen sind dann ohne größeren Aufwand vibrationsfrei gehalten, was die Messgenauigkeit und Störsicherheit erhöht.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Außenfläche des Behältnisses ein Polyolefin umfasst.
Polyolefine sind Polymere, die aus gesättigte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Alkenen wie Ethylen, Propylen, 1-Buten oder Isobuten durch Kettenpolymerisation hergestellt sind. Die bekanntesten Vertreter dieser Kunststoffgruppe sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polymethylpenten (PMP). Industriell hergestellte und eingesetzte Polyolefine sind Polyisobutylen (PIB) und Polybutylen (PB, Polybuten-1). High-density Polyethylen (als HDPE oder PE-HD abgekürzt) wird für die Herstellung von Behältern, Benzintanks, Rohre und Haushaltswaren eingesetzt. Polypropylen (PP), vor allem isotaktisches Polypropylen, und Polyethylen (PE) wird als Verpackung im medizinischen sowie Lebensmittelbereich, für Fasern und Rohre verwendet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Behältnis ein Polyethlenerohr (PE-Rohr) ist.
Polyethylenrohre sind aus Polyethylen (PE) hergestellte Rohre, die vor allem in Rohrleitungssystemen für die Gas-, Wasserversorgung und Abwasserentsorgung eingesetzt werden. Darüber hinaus finden sie in verschiedenen industriellen Bereichen Anwendung. Die wichtigsten Eigenschaften sind Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit gegenüber verschiedenen Chemikalien, Rissbeständigkeit, Trinkwasserzulassung, geringes Gewicht und einfache Verbindungstechniken. Es werden Rohrleitungen aus vernetztem Polyethylen (PEX) oder Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT) eingesetzt, die für den Dauerbetrieb mit Wasser bei 10 bar Druck und +70 °C Fluidtemperatur ausgelegt sind. Auch Mehrschichtverbundrohre aus PEX und Aluminium sind in Verwendung und fallen ebenso wie die PEX oder PE-RT Rohre unter dem Schutzumfang.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Polymermatrix mindestens eine erste Komponente und eine zweite Komponente aufweist, wobei die erste Komponente ein Isocyanat aufweist, wobei die zweite Komponente ein Polyol aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass die Kombination des Zusatzstoffes mit einem Polyurethan zu einem günstigen Kompositmaterial führt, welches ideal als Gehäusekörper oder als Füllstoff zum Stabilisieren der Messvorrichtung und auch für automatisierte Abfüllprozesse geeignet ist. Zudem ergibt die Kombination zwischen Polyurethan und Zusatzstoff ein Cold-Casting System, welches ohne eine oder zumindest nur mit einer geringen thermischen Behandlung aushärtet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Übergangsmetall ausgewählt ist aus der Gruppe die Titan oder Zirkonium umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die chemische Verbindung ein Titanat und/oder ein Zirkonat aufweist.
Als Titanate werden die Salze oder Ester der Titansäuren (HxTiyOz, praktisch die verschiedenen Hydrate von Titandioxid) bezeichnet. Diese liegen vorzugsweise in einem insbesondere organischen Komplex vor. Ein Zirkonat ist ein ein Oxyanion umfassendes Zirkonium. Auch diese liegt erfindungsgemäß vorzugsweise in einem insbesondere organischen Komplex vor.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die chemische Verbindung eine Isopropyl- und/oder eine Tri(dioctyl)Phosphatkette aufweist.
Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von Isopropyl-Triisostearoyl-Titanat, Isopropyl-T ri(dioctyl)phosphat-Titanat, Isopropyl-T ri(N-Ethylendiamino)Ethyl-Titanat und/oder Neopentyl(Diallyl)Oxy-Tri(dioctyl)phosphat-Zirkonat erwiesen, deren Strukturformeln sich wie folgt darstellenl lassen:
Isopropyl-Triisostearoyl-Titanat
Isopropyl-Tri(dioctyl)phosphat-Titanat lsopropyl-Tri(N-Ethylendiamino)Ethyl-Titanat Neopentyl(Diallyl)Oxy-T ri(dioctyl)phosphat-Zirkonat
So zeigte die Verwendung der gelisteten Zusatzstoffe eine besonders gute Haftung zwischen Gehäusekörper und Behältnissen, welche eine unbehandelten Außenflächen - d.h. bei denen die äußere Oxidschicht nicht entfernt wurde - aufweisen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Feldgerät ein Durchflussmessgerät ist, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für ein Feldgerät, insbesondere eines erfindungsgemäßen Feldgerätes umfasst die Verfahrensschritte: - Einarbeiten eines Zusatzstoffes in eine erste Komponente oder eine zweite Komponente, vorzugsweise in die zweite Komponente eines Vergussmaterials, wobei die erste Komponente ein Isocyanat aufweist, wobei die zweite Komponente ein Polyol aufweist, wobei der Zusatzstoff zumindest eine ein oxidiertes Übergangsmetall, vorzugsweise der 4. Nebengruppe aufweisende chemische Verbindung umfasst;
- Mischen der einzelnen Komponenten zur Bildung des Vergussmaterials;
- Vergießen des Vergussmaterials in eine Vergussform, wobei die Vergussform an eine Außenfläche eines Behältnises angeordnet ist; und
- Aushärten lassen des Vergussmaterials zur Bildung des Kompositmaterials bei einer Aushärtetemperatur.
Es hat sich gezeigt, dass ein Beimischen des Zusatzstoffes in die erste Komponente, also in das Isocyanat zu einer unangenehmen Geruchsbildung führt. Dies Problem lässt sich durch das Zumischen des Zusatzstoffes in die zweite Komponente lösen.
Das Vorsehen eines Zusatzstoffes mit einer ein oxidiertes Übergangsmetall aufweisenden chemischen Verbindung führt zu chemischen Verbindungen zwischen der Polymermatrix und der Außenfläche des Behältnisses und somit zu einer besseren Haftung. Weiterhin fördert der Zusatzstoff die Reaktion zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente, so dass auf eine Aufheizen des Kompositmaterials beim Bilden des Gehäusekörpers teilweise oder sogar ganz verzichtet werden kann. Somit bildet das Kompositmaterial ein sogenanntes Cold-Casting System.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Aushärtetemperatur kleiner 50°C, insbesondere kleiner 40°C und bevorzugt kleiner 30°C ist.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass die Bearbeitung des Gehäusekörpers bei geringeren Temperaturen erfolgen kann. Zudem kann mit der Weiterverarbeitung des Feldgerätes der Automatisierungstechnik früher begonnen werden, da die finale Aushärtung auch im Folgenden bei Raumtemperatur erreicht wird. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Zusatzstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 0,3%, insbesondere maximal 1% und bevorzugt 0,4 bis 0,5% in der zweiten Komponente vorliegt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Außenfläche des Behältnisses an einer für das Gehäuse vorgesehenen Position oxidiert ist.
Üblicherweise werden die PE-Rohre vor dem Weiterverarbeiten - z.B. Verschweißen mit zweitem PE-Rohr - durch entsprechende Vorbehandlungsverfahren wie Reinigen, (Sand-)Strahlen, Beflammen und/oder Plasmabeschichten mit anschließendem Primern eine mechanische Adhäsion behandelt. Eine sogenannte „Oxidschicht“ des PE-Rohres muss abgeschält werden, da ansonsten eine ausreichende Haftung nicht gewährleistet werden kann. Dies ist aber für eine Massenproduktion von Feldgeräten oder für gekrümmte Behältnisaußenflächen extrem nachteilig oder gar hinderlich. Durch die Verwendung des obigen Zusatzstoffes kann auf das Entfernen der Oxidschicht verzichtet werden. Wird auf das Entfernen der Oxidschicht verzichtet, so bleibt die Außenfläche an einer für das Gehäuse vorgesehenen Position somit oxidiert.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Übergangsmetall ausgewählt ist aus der Gruppe die Titan oder Zirkonium umfasst.
Titan oder Zirkonium im Zusatzstoff weisen besonders gute katalytische Eigenschaften auf und fördern bzw. initiieren eine chemische Reaktion zwischen der Außenfläche des Behältnisses und der Polymermatrix. Es konnte gezeigt werden, dass die chemische Reaktion selbst bei oxidierten PE-Rohres erfolgt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die chemische Verbindung ein Titanat und/oder ein Zirkonat aufweist, und/oder wobei die chemische Verbindung eine Isopopyl- und/oder eine T ri(dioctyl)Phosphatkette aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein ein Titanate und/oder Zirconate aufweisender Zusatzstoff zur Verbesserung der Haftung eines aus einem Polyurethan gebildeten Gehäusekörpers auf einem Behältnis verwendet.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Gehäusekörper eine Shore-Härte von mindestens 60D, insbesondere von mindestens 70D und bevorzugt von mindestens 85D (nach ISO 868 (Stand 2003)) aufweist.
Die Shore-Härte beschreibt den mechanischen Widerstand, den das Vergussmaterial einem mechanischen Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt und hängt nur bedingt von der Festigkeit des Körpers ab. Die Shore-Härte ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in den Normen DIN EN ISO 868, DIN ISO 7619-1 und ASTM D2240-00 (Stand 2018) festgelegt.
Gemäß einer Ausgestaltung erfüllt das Gehäuse (7) die Anforderungen der IP68 Schutzklasse (Stand 2020) erfüllt.
Die erste Kennziffer bedeutet nach der DIN EN 60529 (Stand 2020), dass das Gehäuse staubdicht ist und somit gegen das Eindringen von Fremdkörpern geschützt ist. Die zweite Kennziffer bedeutet nach der DIN EN 60529, dass das Innere des Gehäuses trotz dauerndes Untertauchen gegen Eindringen von Wasser geschützt ist.
Die IP-Schutzklasse gibt die Widerstandsfähigkeit des Gehäuse eines Feldgerätes gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser an. Die beiden Zahlen der Schutzklasse haben folgende Bedeutung. Die erste Zahl gibt an, wie resistent das Gehäuse gegen das Eindringen von Fremdkörpern ist. Die zweite Zahl gibt die Dichtheit gegenüber Wasser an. Ein Gehäuse, das die Anforderung der IP68 Schutzklasse (Stand 2020) erfüllt, ist somit staubdicht und gegen dauerhaftes Eintauchen in Wasser geschützt.
Gemäß einer Ausgestaltung führt die durch die Reaktion der ersten mit der zweiten Komponente freiwerdende Reaktionswärme zu einem Temperaturanstieg des Kompositmaterials an einer Grenzfläche zu der Messkomponente oder zu dem Behältnis von kleiner 100°C, insbesondere kleiner 70°C und bevorzugt kleiner 30°C.
Beim Vergießen von Elektronikbauteilen mit miteinander reagierende und einen Schaumstoff bildenden Komponenten ist es besonders wichtig, dass es durch die freiwerdende Reaktionswärme nicht zu einer Beschädigung der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten kommt. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn in den Elektronikbauteilen oder in den Messkomponenten Kunststoffteile, beispielsweise in Form von Isolierungen, verbaut sind oder wenn wärmeempfindliche Elektronikbauteile verbaut sein. Eine Abstimmung der beiden Komponenten und der bei der chemischen Reaktion freiwerdenden Wärme ist daher essentiell. Um Schäden an den Messkomponenten zu vermeiden, können einerseits die Umgebungsbedingungen so kontrolliert werden, dass die freigesetzte Reaktionswärme kontinuierlich abgeführt wird und das Kompositmaterial somit einen Temperaturanstieg bzw. eine Temperaturänderung von 100°, 70° oder 30°C nicht übersteigt. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Reaktion in einer heruntergekühlten Umgebung erfolgt oder dadurch dass die freigesetzte Wärme mit einem fließenden Medium, wie z.B. Stickstoff abgeleitet wird.
Andererseits kann die Reaktionswärme bereits durch die Abstimmung der ersten und zweiten Komponente beeinflusst werden. Erfindungsgemäß wird eine erste Komponente mit einem Isocyanat und eine zweite Komponente mit einem Polyol gewählt. In dem Fall ist die freigesetzte Reaktionswärme so gering, dass der Temperaturanstieg unterhalb der oben genannten kritischen Temperaturänderung bleibt.
Bei den für die Herstellung des Gehäuses verwendeten Polyurethanen handelt es sich zumeist um elastomere Kunststoffe, die auf Basis eines unmittelbar vor der Verarbeitung aus reaktiven Komponenten gebildeten, flüssigen Mehrkomponentensystems hergestellt sind, wobei letzteres jeweils nach dem Zusammenmischen in die Vergussform eingebracht und dort innerhalb einer vorgebbaren Reaktionszeit aushärten gelassen wird. Polyurethane werden bekanntlich nach dem Polyadditionsverfahren aus Di- und Poly- Isocyanaten mit mehrwertigen Alkoholen hergestellt. Als Komponenten können dabei beispielsweise Präpolymere, aufgebaut aus aliphatischen und/oder aromatischen Ether- Gruppen sowie Glykol und Isocyanat-Gruppen dienen, die mit dem zugeführten mehrwertigen Alkohol reagieren können.
Üblicherweise werden T ransmitter oder elektronische Anzeige über einen Adapter mit dem Gehäuse verbunden. Daher müssen für Messrohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmesser jeweilige Adapter angefertigt und bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß ist die Vergussform derart geformt, dass der Adapter, insbesondere die Anschlüsse passend mitvergossen werden. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Vergussform auch stellenweise die Form des Adapters annimmt, was dazu führt, dass sich nach dem Vergießen ein Adapter mit ausbildet. Dessen Form hängt von der Form der Vergussform ab und kann somit für die jeweiligen Messrohre angepasst werden.
Somit kann auf einen zusätzlichen Adapter verzichtet werden und der Transmitter oder die elektronische Anzeige kann direkt an das erhärtete Vergussmaterial angeschlossen werden.
Bei der Vergussform können idealerweise herkömmlich, beispielsweise aus der DE 10 2012 110 665 A1 bekannte Gehäuseschalen zurückgegriffen werden. Für ein einfaches Ablösen des Vergussform von dem Vergussmaterial weist die Innenseite der Vergussform eine anti-adhäsive Oberfläche auf, bzw. besteht die Vergussform aus einem antiadhäsiven Material. Besonders vorteilhaft ist eine Beschichtung mit einem Fett oder Teflon. Üblicherweise wird die Vergussform mit Hilfe eines Druckgussverfahrens hergestellt. Erfindungsgemäß ist die Vergussform mittels einem 3D- Druckverfahren hergestellt. Die Verschalung kann beispielsweise aus Blech oder Kunststoff hergestellt sein, insbesondere wiederverwendbar oder als „verlorene Form" ausgeführt sein.
Weiterhin weist die Vergussform einen Zulauf auf, damit das aufschäumende Vergussmaterial vereinfacht in die Vergussform eingeführt werden kann.
Komponenten zur Bildung eines Kompositmaterials aus einem Vergussmaterial liegen in der Regel nicht in einem homogenisierten Zustand vor. Für eine ideale Reaktionsbedingung muss die jeweilige Komponente jedoch homogen in dem Vergussmaterial verteilt sein. Nur dann kann die Bildung von Hohlräumen und das Ablösen von der Außenfläche des Behältnisses vermieden werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Querschnittsdarstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht auf eine Ausgestaltung des Feldgerätes der Automatisierungstechnik;
Fig. 3: eine seitliche Ansicht auf eine weitere Ausgestaltung des Feldgerätes der Automatisierungstechnik; und
Fig. 4: ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Ablaufes eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Feldgerätes.
Ein Beispiel für ein Feldgerät der Automatisierungstechnik ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 7 (siehe Fig. 1). Der Aufbau und das Messprinzip des magnetischinduktiven Durchflussmessgerätes 7 ist grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr 8 wird ein fließfähiges Medium geleitet, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines Magnetfeldes ist so am Messrohr 8 angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als Vorrichtung 10 zum Erzeugen des Magnetfeldes eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder ein Polschuh mit aufgesetzter Spule. Zusätzlich kann die Vorrichtung 10 zum Erzeugen des Magnetfeldes Feldführungskörper aufweisen. Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr 8 eine Potentialverteilung, die mit einer Vorrichtung 9 zum Messen einer induzierten Messspannung, in dem Fall mit zwei an der Innenwand des Messrohres 8 angebrachten Messelektroden abgegriffen wird. In der Regel sind diese diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse, die senkrecht zu einer Symmetrieachse der Magnetfeldlinien und der Längsachse des Rohres verläuft. Anhand der gemessenen induzierten Messspannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die Durchflussgeschwindigkeit und, unter Berücksichtigung der Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss des Mediums bestimmt werden. Um das Ableiten der an den Messelektroden anliegenden Messspannung über das Trägerrrohr des Messrohres 8 zu verhindern, wird die Innenfläche des Trägerrohres mit einem isolierenden Material bzw. einem Kunststoff-Liner ausgekleidet. Das durch beispielsweise einen Elektromagneten aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität mittels einer Betriebsschaltung 11 erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Eine Mess- und/oder Auswerteschaltung 11 liest die an den Messelektroden anliegende Messspannung aus und ermittelt die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den errechneten Volumendurchfluss des Mediums. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät befinden sich die Messelektroden in direktem Kontakt mit dem Medium. Die Kopplung kann jedoch auch kapazitiv erfolgen. Die Messvorrichtung und die elektronischen Komponenten des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind üblicherweise durch ein Gehäuse vor äußeren Einflüssen geschützt. Ein aus einem flüssig applizierten und ausgehärteten Vergussmaterial gebildeter Gehäusekörper dient zur Stabilisierung der Messanordnung - in dem Fall der Vorrichtung 10 zum Erzeugen des Magnetfeldes und der Vorrichtung 9 zum Messen der induzierten Messspannung - und der elektronischen Komponenten - die Betriebs-, Mess- und/oder Auswerteschaltung 11 - gegen mechanische und thermische Einflüsse.
Die Fig. 2 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausgestaltung eines zumindest teilweise verschalten Feldgerätes der Automatisierungstechnik 14. Als Vergussform 13 wurde eine herkömmliche Gehäuseschale verwendet, die einen Hohlraum zwischen Gehäuseschalungwandung und Außenfläche des Behältnisses ausbildet und bei Feldgeräten zum Schutz der Elektronikbauteile verbaut wird, in denen ein nachträglicher Zugriff auf das Innere des Gehäuses 5 vorgesehen ist. Sie kann jede beliebige Form annehmen. Bei speziellen Formwünschen eignet sich ein 3D-Druckverfahren. Nach dem Befüllen des durch die Vergussform 13 gebildeten Hohlraumes mit einem Vergussmaterial kann die Vergussform 13 wieder entfernt werden, so dass sie für die Herstellung weiterer Gehäusekörper 6 verwendet werden kann. In der Fig. 2 nicht sichtbar ist ein im Gehäuskörper ß, insbesondere in der Polymermatrix eingebetteter Transmitter, der die Messsignale an eine Anzeigeeinheit sendet. Die Polymermatrix weist zumindest anteilig ein Kompositmaterial auf, welches die Messvorrichtung und die elektronischen Komponenten zumindest teilweise umgibt. Das Kompositmaterial weist eine Polymermatrix und einen Zusatzstoff auf, wobei der Zusatzstoff mindestens eine ein oxidiertes Übergangsmetall, vorzugsweise der 4. Nebengruppe aufweisende chemische Verbindung umfasst. Der Zusatzstoff dient dazu eine verbesserte Haftung zwischen Außenfläche des Behältnisses und dem Gehäusekörper 6 zu formen. Nach dem Vergießen wird die Vergussform entfernt und der Gehäusekörper 6 aus dem Polymerkomposit übernimmt die Funktion der Verschalung. Alternativ wird die Vergussform 13 nicht entfernt. In dem Fall sorgt die Polymermatrix hauptsächlich für die Fixierung der elektronischen Komponenten. Die äußere Gehäuseverschalung übernimmt die Stabilisierung und den Schutz der Messkomponenten. Bei dem Behältnis handelt es sich um ein metallisches Messrohr mit Flanschanschlüssen.
Die Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung eines magnetischinduktiven Durchflussmessgerätes 7 mit einem vergossenen Adapter 16. Dieser wird beim Vergießen des Vergussmaterials so in die Vergussform eingebracht, dass die Anschlüsse 17 freibleiben und nur das Endstück mit dem Vergussmaterial umschlossen wird. In der abgebildeten Ausgestaltung ist der Adapter 16 als separates Bauteil mitvergossen. Der Adapter 16 muss aber nicht notwendigerweise als separates Bauteil ausgebildet sein. Durch die Wahl der Vergussform kann der Gehäusekörper 5 bzw. Teile des Gehäusekörpers die Form des Adapters 16 annehmen. In diesem Fall werden die elektrischen Anschlüsse 17 während des Vergießens des Vergussmaterials mit in die Vergussform fixiert und so vergossen, dass die Kontaktstellen der Anschlüsse 17 nicht mitvergossen werden. Die Anzeigeeinheit kann dann direkt an den Gehäusekörper 6 angeschlossen werden, ein Adapter als separetes Bauteil ist somit nicht notwendig.
Das magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 7 weist ein Behältnis 1 auf, wobei es sich bei dem Behältnis 1 um ein Messrohr 8 mit einem PE-Rohr als T rägerrohr 15 handelt. An der Außenfläche 2 des Messrohres 8 ist ein Gehäuse 5 mit einem Gehäusekörper 6 angeordnet. Der Gehäusekörper 6 weist zumindest anteilig ein Kompositmaterial auf. Die Messvorrichtung 3 und die elektronischen Komponenten 4 des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 7 sind zumindest teilweise vom Kompositmaterial umgeben. Bei dem Kompositmaterial handelt es sich um eine Polymermatrix, in die ein Zusatzstoff eingebettet ist. Dieser dient dazu, die Haftung zwischen Gehäusekörper 6 und Außenfläche 2 des Messrohres 8 zu verbessern, um die Anforderung der IP68 Schutzklasse zu erfüllen. Bei dem Zusatzstoff handelt es sich um eine ein oxidiertes Übergangsmetall, vorzugsweise der 4. Nebengruppe aufweisende umfassende chemische Verbindung. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einem ein Titanat aufweisenden Zusatzstoff erzielt. Bei der Polymermatrix handelt es sich um ein aus einem zweikomponentigen System gebildetes Polyurethanpolymer.
Die Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Ablaufes eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Feldgerätes. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte A bis D:
A) Einarbeiten eines Zusatzstoffes in eine zweite Komponente eines zweikomponentigen Vergussmaterials.
Das Vergussmaterial ist ein Zwei-Komponenten-System, kann jedoch auch weitere Zusatzstoffe wie Füllstoffe oder Farbstoffe aufweisen. Die erste Komponente weist ein Isocyanat auf und die zweite Komponente weist ein Polyol auf. Der Zusatzstoff ist eine ein oxidiertes Übergangsmetall aufweisende chemische Verbindung. Bei dem Übergangsmetall handelt es sich um ein Titan und/oder ein Zirkonium. Insbesondere liegt das Übergangsmetall in Form eines Titanates und/oder eines Zirkonates vor. Zudem weist der Zusatzstoff eine chemische Verbindung mit einer Isopopyl- und/oder einer Tri(dioctyl)Phosphatkette auf.
B) Mischen der einzelnen Komponenten zur Bildung des Vergussmaterials. C) Vergießen des Vergussmaterials in eine Vergussform.
Dabei ist die Vergussform an eine Außenfläche eines Behältnisses angeordnet, welches mit einem Gehäuse zu versehen ist. In der vorliegenden Ausgestaltung handelt es sich bei dem Behältnis um ein Polyethylenrohr, kurz PE-Rohr, welches vor allem in Rohrleitungssystemen für die Gas-, Wasserversorgung und Abwasserentsorgung eingesetzt wird und mit einer Trinkwasserzulassung versehen sein kann.
D) Aushärten lassen des Vergussmaterials zur Bildung des Kompositmaterials bei einer Aushärtetemperatur.
Da es sich beim vorliegenden Vergussmaterial um einen Cold-Casting Verguss handelt kann die Aushärtetemperatur kleiner 50°C, insbesondere kleiner 40°C und bevorzugt kleiner 30°C gewählt werden. Da das Vergussmaterial auch bei Aushärtetemperaturen von kleiner 30°C bereits nach ein paar Stunden - obwohl die zu erzielende Shore-Härte noch nicht erreicht wird - bereit für die Weiterverarbeitung ist, ist ein Aushärtenlassen des Vergussmaterials selbst bei Raumtemperatur möglich. Der Zusatzstoff liegt in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 0,3%, insbesondere maximal 1% und bevorzugt 0,4 bis 0,5% in der zweiten Komponente vor.
Auf einen zusätzlichen Verfahrensschritt, bei dem die Außenfläche des Behältnisses behandelt wird kann verzichtet werden.
Bezugszeichenliste
Behältnis 1
Außenfläche 2
Messvorrichtung 3 elektronische Komponenten 4
Gehäuse 5
Gehäusekörper 6 magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 7
Messrohr 8
Vorrichtung zum Messen einer induzierten Messspannung 9
Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes 10
Betriebs-, Mess- und/oder Auswerteschaltung 11
Anzeigevorrichtung 12
Vergussform 13
Feldgerät der Automatisierungstechnik 14
Trägerrohr 15
Adapter 16
Anschlüsse 17

Claims

Patentansprüche
1. Feldgerät der Automatisierungstechnik, umfassend:
- ein Behältnis (1) zum Aufnehmen und/oder Führen eines Mediums, wobei das Behältnis (1) eine Außenfläche (2) aufweist;
- ein Messvorrichtung (3) zum Ermitteln einer Prozessvariablen des Mediums;
- elektronische Komponenten (4) zum Betreiben der Messvorrichtung (3);
- ein Gehäuse (5) zum Schützen des Messvorrichtung (3) und der elektronischen Komponenten (4), wobei das Gehäuse (5) einen Gehäusekörper (6) aufweist, wobei die Messvorrichtung (3) und die elektronischen Komponenten (4) im Gehäuse (5) angeordnet sind, wobei der Gehäusekörper (6) an der Außenfläche (2) angeordnet ist, wobei der Gehäusekörper (6) zumindest anteilig ein Kompositmaterial aufweist, wobei die Messvorrichtung (3) und die elektronischen Komponenten (4) zumindest teilweise vom Kompositmaterial umgeben sind, wobei das Kompositmaterial eine Polymermatrix aufweist, wobei das Kompositmaterial einen Zusatzstoff aufweist, wobei der Zusatzstoff mindestens eine ein oxidiertes Übergangsmetall, vorzugsweise der 4. Nebengruppe aufweisende chemische Verbindung umfasst.
2. Feldgerät nach Anspruch 1 , wobei die Außenfläche (2) ein Polyolefin umfasst.
3. Feldgerät nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei das Behältnis (1) ein PE-Rohr ist.
4. Feldgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymermatrix mindestens eine erste Komponente und eine zweite Komponente aufweist, wobei die erste Komponente ein Isocyanat aufweist, wobei die zweite Komponente ein Polyol aufweist.
5. Feldgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übergangsmetall ausgewählt ist aus der Gruppe, die Titan und/oder Zirkonium umfasst.
6. Feldgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die chemische Verbindung ein Titanat und/oder ein Zirkonat aufweist.
7. Feldgerät nach Anspruch 6, wobei die chemische Verbindung eine Isopropyl- und/oder eine
T ri(dioctyl)Phosphatkette aufweist.
8. Feldgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feldgerät ein Durchflussmessgerät ist, insbesondere ein magnetischinduktives Durchflussmessgerät.
9. Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses (5) für ein Feldgerät, insbesondere ein Feldgerätes nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Verfahrensschritte:
- Einarbeiten eines Zusatzstoffes in eine erste Komponente oder eine zweite Komponente, vorzugsweise in die zweite Komponente eines Vergussmaterials, wobei die erste Komponente ein Isocyanat aufweist, wobei die zweite Komponente ein Polyol aufweist, wobei der Zusatzstoff eine ein oxidiertes Übergangsmetall, vorzugsweise der 4. Nebengruppe aufweisende chemische Verbindung umfasst;
- Mischen der einzelnen Komponenten zur Bildung des Vergussmaterials;
- Vergießen des Vergussmaterials in eine Vergussform, wobei die Vergussform an eine Außenfläche (2) eines Behältnises (1) angeordnet ist; und
- Aushärten lassen des Vergussmaterials zur Bildung des Kompositmaterials bei einer Aushärtetemperatur.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Aushärtetemperatur kleiner 50°C, insbesondere kleiner 40°C und bevorzugt kleiner 30°C ist.
11 . Verfahren nach Anspruch 9 und/oder 10, wobei der Zusatzstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 0,3%, insbesondere maximal 1% und bevorzugt 0,4 bis 0,5% in der zweiten Komponente vorliegt.
12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11 , wobei die Außenfläche (2) an einer für das Gehäuse (5) vorgesehenen Position oxidiert ist.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Übergangsmetall ausgewählt ist aus der Gruppe die Titan oder Zirkonium umfasst.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Zusatzstoff ein Titanat und/oder ein Zirkonat aufweist, und/oder wobei der Zusatzstoff eine chemische Verbindung mit einer Isopopyl- und/oder einer T ri(dioctyl)Phosphatkette aufweist.
15. Verwendung von einem ein Titanat und/oder ein Zirkonat aufweisenden Zusatzstoff zur Verbesserung der Haftung eines aus einem Polyurethan gebildeten Gehäusekörpers (6) auf einem Behältnis (1).
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